《dsp的机电设备故障诊断系统的研究与开发—-毕业论文设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《dsp的机电设备故障诊断系统的研究与开发—-毕业论文设计.doc（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中北大学2008届毕业设计说明书1 绪论1.1 本课题的来源及研究目的和意义随着经济的发展、社会的进步、生产管理自动化水平的不断提高，特别是网络的日益普及，集中监控系统在社会各行各业得到了越来越广泛的应用，在邮电、电力、通讯、银行、工交、仓库等系统及设施中，由于需要监控的区域广、监控点分散、监控的对象种类繁多，因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护，维护人员不足、维护手段落后己成为管理中的薄弱环节。还有一些易发生突发性事故的领域，如容易发生爆炸的场所以及生产中次品的出现，由于这类事件的发生几率较小，而且具有随机性和不确定性，在这类领域实行现场人员值守是不现实的也是不可能的。因此，为提
2、高维护管理自动化水平、保障设备的安全和正常运转，实现图像、环境、动力等的集中监控和实时报警己势在必行1。传统设备维护管理体制是分散维护管理体制，基本上是以维护点为单位进行设备维护管理，每个维护点都配备有一定的维护人员负责全部设备的维护工作，实行轮班值守制，这种维护管理体制下维护人员劳动强度大，维护管理水平不高，而且需要大量的维护人员，花费大量的人力、物力和财力已经越来越不能适应现代经济的发展。尽快建设设备集中监控系统，实现现场无人值守，并充分发挥监控系统的作用，对设备和生产实行实时监控，对设备和生产中出现的突发性事件进行实时响应，确定故障发生的种类和部位，是转变设备专业维护方式、提高维护质量、
3、管理水平，以及提高劳动生产率的真正体现，从而提高产品的竞争力。而对易发生突发性事故(如爆炸)的场所实行远程监控和实时报警，也具有非常高的实际应用价值和现实意义。1.2 远程故障诊断的发展与展望1.2.1 故障诊断技术的发展过程故障诊断技术是用计算机对大型机组进行在线监测，能及时地了解机组的运行参数、当前工作状态，报警监测和事故追忆，能高速瞬时保存大量异常信息，便于进行事故分析和研究。采用模糊数学和灰色理论等进行故障诊断，对监测过程中保存的信息分析计算，从而判断机组运行是否正常。若存在故障，则指出故障类别、程度、部位及发展趋势，从而合理地给出机组使用寿命的估计、维修时间的调整、设备设计制造的改进
4、和最佳运行参数设定2。机械设备状态监测与诊断技术经历了这样几个发展阶段1.离线监测与人工诊断方式对于早期简单、小型的机械设备，往往采用眼看、耳听、手摸等，凭人的感觉和经验即可进行判别。这是运用简单手段进行简单的状态监测和故障诊断，这种监测方式下，判断结果受到工作人员经验等状况的影响，因此准确性难以保证3。2.以多用户联机、集中式控制为特征的单机监控与诊断这是第一代监控与诊断系统。这时的监测与诊断系统主要是针对某一特定被监测的机器而设计的，它主要由一台计算机和一块或多块功能模板构成，信息的交换与处理仅限于监测与诊断系统内部，因而是一种封闭式的系统。3以局域网络、集散化控制为特征的分布式监控与诊断
5、它主要是针对大型机电设备主机和多辅助功能分布和地域分布的特点，通过工业局域网把分布于各个局部现场，独立完成特定功能的本地计算机互联起来，以实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理与诊断功能的工业计算机网络系统，这是基于工业局域网的相对开放的系统，监控信息的处理在局域网内部进行。4.基于Internet的远程监测诊断进入20世纪90年代后期，随着计算机技术和信息技术的发展， 特别信息高速公路的开通，设备状态监测与故障诊断也步入Internet阶段，这是一种传统监测诊断技术与现代网络相结合的一种新型技术。 这类系统采用Internet技术实施异地远程诊断，能充分利用远程专家的技术支持和共享
6、数据，大大地提高了诊断效率。远程诊断将是今后设备诊断技术的发展趋势。现代设备监测诊断技术是以现代动力学4、信号采集、信息处理、人工智能、模式识别、集成电路、计算机技术、网络技术等为中心的一门新兴学科。在振动信号分析方面，除了经典的统计分析、时频域分析、时序模型分析、参数识别外，近来又发展了基于非平稳信号假设的短时傅立叶变换、Wigner分布和小波变换等5。在诊断方面，人工智能中的专家系统、神经网络、模式识别、模糊诊断等技术得到了广泛的应用。1.2.2 国内外发展现状六十年代末开始，国内外开展了大规模的状态监测和故障诊断方面的研究并开发了一系列的产品，在德国的DALOG公司已开发出TYPM-37
7、6、E-376、S-550等数据采集处理系统，可进行SCI串行、CAN网络通讯和Internet连接。在美国Bently公司开发的DDM系统、ADRE系统，又如英国中心发电部的TEM系统，日本三菱公司的MHMS等等。这些系统在实际应用中又得到了进一步的发展和提高。我国在八十年代开始进行该技术的开发与研究，现在各高校均进行了相关产品的研发。如南京航空航天大学的科研人员提出了基于DSP和CAN总线系统的诊断模块设计方案。安徽理工大学提出了运用DSP和串行口通信方式实现分布式数据采集系统6。湖北大学的硕士论文中也曾提出运用嵌入式系统和以太网开发此类检测模块7。哈工大提出用模糊数学理论实施机组振动分析
8、和故障诊断，开发了MMMD系统并投入运行，西安交大等单位也研制了RMMDS系统，上海交大以及其他科研单位在人工神经网络和灰色理论应用于机组的故障分析诊断方面也做了许多工作.郑州大学振动研究所开发的MMDS系统，采用了先进的矢谱分析理论，使诊断的准确度大大提高，在实际运用中取得了很好的效果。1.3 本文主要内容本论文在第二章主要介绍了DSP、CAN和RS232通信的基础知识，包括TMS320F2812的内核机构、设计本系统所用到的模数转换和CAN等片上外设的结构及原理。第三章叙述了有关系统的需求分析知识。第四章是系统的总体设计，主要包括系统的结构组成和系统所要完成的功能说明。第五章是硬件设计部分
9、，包括TMS320F2812的电源模块、时钟模块、复位和监视模块、模数转换模块、CAP频率捕捉模块以及数字输入输出和存储器设置模块的设计。第六章是软件设计部分，介绍了CCS软件编译环境，对系统的主程序、ADC采样程序、CAP频率捕捉程序和通信等程序进行了相关说明。最后第七章是测试结果分析，对相关功能进行测试。2 基础知识2.1 DSP技术数字信号处理(Digiatl singal Porecssnig，简称DSP)是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式8。数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，
10、同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到加世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。DSP芯片也称数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法9。作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计算机发展的重要分支，
11、也是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具。随着微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，DPS芯片的性价比不断提高，正受到业界越来越广泛的关注。考虑到本系统中涉及的采样参数较多，运算量大，实时性要求高，因此采用美国德州仪器(TI)的TMS320F2812(以下简称F2812)DSP作为主控芯片。与MCS51和96系列等单片机相比，F2812具有以下几个方面的显著特点： 资源丰富1) 多达56个通用、双向的数字I/O引脚，使用这些I/O脚可以很方便的实现系统的液晶显示、键盘管理、输入开关量状态采集和开关量的输出控制。2) 两个事件管理器EVA和EVB，包含4个通用定时器，6个比较单元，6个捕获
12、单元，12路PWM输出电路10。定时器为A/D的等间隔采样提供时间参考，捕获单元可以实现信号频率的实时跟踪。3) 12位16通道模数转换模块(以下简称A/D模块)最快可实现在80ns内完成一个通道的转换，并且可对16个通道的转换顺序进行排序。4) 串行外设接口模块SPI可实现F2812和其它SPI接口芯片之间的数据交换11。5) 串行通信模块SCI和CAN控制器可实现F2812和PC机之间的数据交换。6) 可变周期的看门狗定时器和基于锁相环的时钟模块，提高了系统的适应性。7) 片内有18K字的RAM单元可以存放程序运行过程中的大量参数而无需外扩数据RAM，128K字FLASH空间为程序的前期开
13、发提供了方便。8) 具有硬件优先级的中断控制系统12。DSP内核将其中十二个中断级加以扩展，使每一个中断级可同时挂接八个外设中断源，使得DSP能够处理的外设硬件中断最高可达96个，具有很强的事务处理能力。 运算速度快，数据处理能力强1) F2812采用典型的哈佛总线结构，片内有六条独立、并行的数据和地址总线，极大地提高了系统的数据吞吐能力。2) 32位的累加器、32位的硬件乘法器和数据移位寄存器的结合能快速地完成复杂的数值运算。3) 精简的指令集系统，流水线的操作方式以及最快6.67ns的指令周期使得系统的运行速度特别快。 功耗低F2812采用高性能静态CMOS技术，内核电压仅为1.8V，I/
14、O口电压为3.3V，而且有多种低功耗模式，能充分降低系统功耗。由于F2812有运算速度快、数据处理能力强和资源丰富等其它单片机无可比拟的特点，本文采用F2812作为微机保护装置的主控芯片13。图2.1 DSP芯片的组成结构2.2 CAN总线技术CAN全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一14。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如:发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。在一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可
15、以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips PCA82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使得实时测控变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。CAN是一种多主方式的串行通讯总线15，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到1OKm时，CAN仍可提供高达5KbiUs的数据传输速率。CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等，最常用的就是双绞线，信号使用差分电压传送。两条信号线被称为“CAN
16、-H”和“CAN-L,静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”16。用CAN-H比CAN-L高表示逻辑O，称为“显性”，此时，通常电压值为:CAN-H-3.5V和CAN-L-1.5VCAN是一种具有高可靠性，支持分布式测试、实时控制的串行通信网络。CAN具有如下特性(1)方式灵活。可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从。(2)非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向总线发送数据时，优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，这大大地节省了总线仲裁时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。(3)严格的错误检测和界定。CAN通信协议的数据链路层的MAC子层具有严格的错误检测功能，包括监测、填充规则校
